1.ブラシレスDCモーターの概念
ブラシレス DC モーター (BLDC) は、ブラシレス モーターまたは同期 DC モーターとも呼ばれ、動作にブラシや整流子を必要としないタイプのモーターです。 BLDC モーターへの入力は直流 (DC) ですが、基本的にはメイン インバーター スイッチを周期的に切り替えることで交流 (AC) をシミュレートします。これにより、コイル巻線内に変化する磁界が生成され、モーターの回転子に継続的なトルクが発生し、継続的な回転が可能になります。 BLDC モーターは、固定子巻線の数に応じて、単相、二相、または三相として構成できます。最も一般的に使用される BLDC モーターは三相モーターです。以下の図は、三相ブラシレス DC モーターの分解を示しています。
2.ブラシレスDCモーターの応用
BLDC モーターの市場規模は、2022 年までに約 197 億 6,000 万ドルに達すると推定されています。BLDC モーター技術がますます成熟するにつれ、BLDC モーターは軍事、航空宇宙、産業、自動車、民間制御システム、家庭用電化製品などのさまざまな分野で広範な用途が見出されています。これらは、小型ロボット、ドローン、電動自転車、掃除機、電動工具などの低電圧、低電力のデバイスでよく使用されます。
以下にいくつかの人気のあるアプリケーションを示します。
掃除機/ヘアドライヤー: ヘアドライヤーまたは掃除機に関しては、よく知られているブランドは Dyson です。 「次世代ブラック テクノロジー」として宣伝されているダイソン ヘアドライヤーは、従来のモーターよりも小型、軽量、高速な V9 インテリジェント デジタル モーターを搭載しています。カーボン ブラシを使用せずに、モーターは 1 分あたり最大 110,000 回転の速度を達成でき、他のモーターよりも小型で軽量です。ダイソンのデジタル モーターに使用されているモーターは「単相ブラシレス DC モーター」であり、本質的には BLDC モーターの一種です。
ドローン/ジンバル:
ドローンのモーター制御の鍵となるのは、速度と方向の制御です。最も人気のあるドローンは間違いなく DJI のドローンです。下の図は Spark ドローンの分解を示しており、各隅に 4 つの BLDC モーターが見えています。
同様の用途にはジンバルなどがあります。
電動工具: 日常生活でよく見かける手持ち式電動工具には、ボッシュの電動レンチやドリルなどが含まれます。ブラシレス DC モーターの省エネと高効率は、手持ち式電動工具のコストの継続的な削減と相まって、電動工具での BLDC モーターの使用の急速な発展につながりました。ボッシュ、デウォルト、ミルウォーキーなどの最も有名な国際メーカーがこの傾向をリードしています。
3.ブラシレスDCモーターの構造
ステータ: BLDC モータのステータは積層鋼板で構成され、内周軸に沿って刻まれたスロットに巻線が配置されます。ステータは誘導モータのステータに似ていますが、巻線の分布が異なります。ほとんどの BLDC モーターには 3 つのスター接続された固定子巻線があり、それぞれが相互接続された複数のコイルで構成されています。コイルはスロットに配置され、相互接続されて巻線を形成します。これらの巻線はステーターの円周に沿って配置され、等間隔の磁極を形成します。
ローター: BLDC モーターはローターとして永久磁石を使用し、内部にコイルはありません。ローターの磁極はS極とN極が交互に配置されています。さらに、軟磁性材料技術の進歩と価格の低下に伴い、高性能ネオジム鉄ボロン希土類材料が永久磁石ローターの製造に使用されることが増えています。高い磁気エネルギー積と安定した特性により、BLDC モーターの機械的特性と動的応答が向上し、効率と速度範囲が向上します。以下は、Microchip 社の BLDC に関する原理文書からのローター マグネットの断面の概略図です。
ホール センサー: BLDC モーター制御の最も重要な側面は、ローター位置の識別です。位置を特定するには 2 つの方法があります。1 つは、ホール センサーとして知られる位置センサーを使用してローターの位置を特定する方法です。もう1つは、逆起電力を検出してロータの位置を特定するセンサレス方式です。センサー付き BLDC モーターの場合、ほとんどの BLDC モーターにはステーターに 3 つのホール センサーが埋め込まれています。各転流中、1 つの巻線が制御電源の正極に接続され (電流が巻線に流入)、2 番目の巻線が負極に接続され (電流が流出)、3 番目の巻線は切断状態になります。トルクは、ステーター コイルによって生成される磁界と永久磁石の間の相互作用によって生成されます。ローターの磁極がホール センサーの近くを通過すると、センサーは高レベルまたは低レベルの信号を出力し、S/N 磁極がホール センサーによって感知される領域を通過していることを示します。ホール センサーが出力する信号間の位相シフトは 60° または 120° のいずれかになります。
